超低温环境下混凝土力学行为及其冻融破坏机制

超低温是混凝土材料应用最极端环境条件之一，其对混凝土力学性能、耐久性的影响十分显著，探索超低温下混凝土材料的力学行为及其相关关键科学问题对认识超低温特种环境下混凝土的特性和应用具有重要的科学意义。本项目首先研究设计-50～-165℃超低温养护箱、超低温混凝土力学性能测试方法与装置；研究超低温下混凝土力学性能发展规律及影响因素，建立超低温下混凝土全应力-应变曲线；提出低温差热分析热孔计法等方法从热力学角度探明超低温下水在混凝土不同孔径孔中分布、迁移、相变与结冰机制；研究超低温冻融循环下混凝土力学性能劣化规律；采用核磁共振、低温环境扫描电镜等手段，阐明超低温下混凝土热焓-温变关系与混凝土微观结构变化规律，建立超低温下混凝土力学行为模型。从热力学阐明混凝土超低温冻融循环破坏机理，并最终建立超低温下混凝土冻融破坏机制。研究成果可为解决混凝土在超低温极端环境下应用的科学问题与关键技术提供科学指导。

超低温是混凝土材料应用最极端环境条件之一，其对混凝土力学性能、耐久性的影响十分显著，探索超低温下混凝土材料的力学行为及其相关关键科学问题对认识超低温特种环境下混凝土的特性和应用具有重要的科学意义。.本项目设计出-50～-165℃超低温养护箱，探明了砂浆试样在超低温下的温度梯度变化规律，并依此设计出超低温养护方法、超低温力学性能测试方法、超低温冻融循环实验方法与装置；探明了超低温下混凝土力学性能发展规律，采用非线性拟合方法分析了超低温下不同水灰比的砂浆力学强度发展规律，提出了超低温下砂浆力学强度预测模型。并运用模型分析验证了不同超低温养护时间下砂浆强度及不同含水率下不同水灰比的砂浆超低温下强度发展规律。含水率为m、超低温养护t d下普通砂浆力学强度预测模型可表示成 ；量化证实含水率对砂浆超低温下抗折强度影响大于其对超低温下抗压强度的影响。得到了超低温下水泥基材料温度应变曲线，揭示了含水率、水灰比等因素影响其温度应变的规律及原因，为恶劣环境下混凝土性能设计提供了理论依据。.以水泥基材料孔溶液相变、物相焓变等热力学理论和孔型假说为基础，建立了表征水泥基材料孔结构的热力学计算模型，提出了热孔计法表征水泥基材料孔结构的新方法；进一步将热孔计法的表征结果与压汞法、氮吸附法结果进行比较，实验证明了热孔计法表征水泥基材料的有效性、精确性；探明了热孔计法实验过程中的影响因素，确定了试验中关键参数，并提出一套完整的标准测试方法。采用热孔计法表征不同龄期水泥硬化净浆孔径分布，验证微观孔结构与宏观力学性能之间的关系。.对比不同冻融环境条件下试验结果，采用宏观性能和微观孔结构多尺度表征方法，得出了混凝土超低温冻融循环力学性能劣化规律，证实水分迁移是超低温冻融循环破坏的关键因素，并提出混凝土超低温冻融破坏过程及机理。能否与外界进行水分交换在超低温冻融破坏中起着决定性作用。若材料不能与外界发生水分交换，即使其最初完全饱水，冻融破坏也较为缓慢；超低温冻融过程中，水泥基材料从外界大量吸收水分，其饱水程度甚至超过100%，给孔壁带来较大结晶压力；结晶压力主要集中在大孔周边，使得大孔周边先产生大量新的微孔(<20nm)，随着冻融的继续进行，上述微孔继续生长或连通形成较大的孔隙，当这类孔隙孔径成长到20nm以上时，最终会影响水泥基材料的宏观力学性能，造成冻融破坏。最终建立了超低温下混凝土冻融破坏机制。